Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине

        МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

            Государственный медицинский университет г. Семей

              Кафедра: Нормальная физиология и медицинская биофизика

              Дисциплина: Медицинская биофизика

    

              СРС

На тему: «Физические основы взаимодействия звука и биологических тканей. Применение ультразвуковых исследований в медицине»

                                   

 

Факультет:

                 

Выполнила:

Проверила:

 

 

 

 

                                                        г. Семей 2012 год

Содержание

 

  1. Введение

  2. Ультразвук

  3. Источники ультразвука

  4. Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

  5. Использование фокусированного ультразвука в экспериментальной биологии и медицине

  6. Ультразвуковые эффекты в мягких тканях

  7. Ультразвуковое исследование

8.  Методики ультразвукового исследования

9. Допплерография 

10. Потоковая спектральная допплерография (ПСД)

11. Непрерывная (постоянно волновая) ПСД

  12. Импульсная ПСД

  13. Цветовое допплеровское картирование (ЦДК)

  14. Энергетическая допплерография (ЭД)

  15. Комбинированные варианты

  16. Использованная литература

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Ультразвуковая техника начала развиваться во время Первой мировой  войны. Именно тогда, в 1914 г., испытывая  в большом лабораторном аквариуме  новый ультразвуковой излучатель, выдающийся французский физикэкспериментатор Поль Ланжевен обнаружил, что рыбы при  воздействии ультразвука забеспокоились, заметались, затем успокоились, но через  некоторое время стали гибнуть. Так случайно был проведен первый опыт, с которого началось исследование биологического действия ультразвука.  В конце 20-х годов XX в. были сделаны  первые попытки использовать ультразвук в медицине. А в 1928 г, немецкие врачи  уже применили ультразвук для  лечения заболеваний уха у  людей. В 1934 г. советский отоларинголог  Е.И. Анохриенко ввел ультразвуковой метод  и терапевтическую практику и  первым в мире осуществил комбинированное  лечение ультразвуком и электрическим  током. Вскоре ультразвук стал широко применяться в физиотерапии, быстро завоевав главу весьма эффективного средства.

Первые ультразвуковые лечебные методы основывались на чисто эмпирических наблюдениях, однако параллельное развитием ультразвуковой физиотерапии разворачивались исследования механизмов биологического действия ультразвука. Их результаты позволяли вносить коррективы в практику применения ультразвука. Ультразвук представляет собой волнообразно распространяющееся колебательное движение частиц среды. Ультразвук имеет некоторые особенности по сравнению со звуками слышимого диапазона. В   ультразвуковом диапазоне сравнительно легко получить направленное излучение; он хорошо поддается фокусировке, в результате чего повышается интенсивность ультразвуковых колебаний. При распространении в газах, жидкостях и твердых телах ультразвук порождает интересные явления, многие из которых нашли практическое применение в различных областях науки и техники.

В последние годы ультразвук начинает играть все большую роль в научных  исследованиях. Успешно проведены  теоретические и экспериментальные  исследования в области ультразвуковой кавитации и акустических течений, позволившие разработать новые  технологические процессы, протекающие  при воздействии ультразвука  в жидкой фазе.

 

Ультразвук - упругие волны высокой частоты, которым посвящены специальные разделы науки и техники. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно до 16 000 колебаний в секунду (Гц); колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук (за пределом слышимости). Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов герц. Хотя о существовании ультразвука ученым было известно давно, практическое использование его в науке, технике и промышленности началось сравнительно недавно. Сейчас ультразвук широко применяется в различных физических и технологических методах. По скорости распространения звука в среде судят о ее физических характеристиках. Измерения скорости на ультразвуковых частотах производятся с очень большой точностью; вследствие этого с весьма малыми погрешностями определяются, например, адиабатические характеристики быстропротекающих процессов, значения удельной теплоемкости газов, упругие постоянные твердых тел.

 Источники ультразвука

Частота сверхвысокочастотных ультразвуковых волн, применяемых в промышленности и биологии, лежит в диапазоне  порядка нескольких МГц. Фокусировка  таких пучков обычно осуществляется с помощью специальных звуковых линз и зеркал. Ультразвуковой пучок  с необходимыми параметрами можно  получить с помощью соответствующего преобразователя. Наиболее распространены керамические преобразователи из титанита бария. В тех случаях, когда основное значение имеет мощность ультразвукового  пучка, обычно используются механические источники ультразвука. Первоначально  все ультразвуковые волны получали механическим путем (камертоны, свистки, сирены).

В природе УЗ встречается как  в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским  прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди  звуков животного мира. Некоторые  животные пользуются ультразвуковыми  волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве.

Излучатели ультразвука можно  подразделить на две большие группы. К первой относятся излучатели-генераторы; колебания в них возбуждаются из-за наличия препятствий на пути постоянного потока — струи газа или жидкости. Вторая группа излучателей — электроакустические преобразователи; они преобразуют уже заданные колебания электрического напряжения или тока в механическое колебание твердого тела, которое и излучает в окружающую среду акустические волны.

 Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ)

Благодаря хорошему распространению  ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в  сравнении с магнитно-резонансной  томографией ультразвук широко применяется  для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной  полости и полости таза.

Использование фокусированного  ультразвука в экспериментальной  биологии и медицине

Возможность вызывать в тканях локальные обратимые и необратимые изменения с помощью фокусированного ультразвука широко используется на практике. В частности, бесконтактное ультразвуковое раздражение нервных структур на поверхности организма и в глубине тканей без нарушения целостности кожных покровов и, следовательно, без оперативного вмешательства позволило определить пороговые амплитуды смещения частиц среды, вызывающие возбуждение ряда нервных структур и обусловливающие разнообразные ощущения.

 Ультразвуковые эффекты в мягких тканях

Ультразвук, используемый в терапевтических  целях (0,7..,3 МГц; 0,1 ...2 Вт/см2; 3...10 мин), вызывает в тканях организма разнообразные  изменения.

При относительно низких интенсивностях, лишь ненамного превышающих пороги чувствительности к ультразвуку  для конкретных тканей, наблюдается  ускорение обменных процессов и  стимулирование защитных механизмов. Так, ультразвук (1 MГц; 0,1 Вт/см2; 5 мин), используемый 3 раза в неделю, ускоряет процесс  регенерации ткани уха кролика  после хирургического вмешательства. Параллельно в регенерирующей ткани  ускоряется процесс связывания, например, меченого тимидина. Обмен катехоламинов  в организме также заметно  возрастает.

 

При этих же параметрах ультразвук влияет на различные биохимические процессы в организме. Ультразвук (1 МГц; 0,2 Вт/см2; 5... 10 мин) вызывает изменения окислительно-восстановительного потенциала тканей, уменьшение содержания аскорбиновой кислоты, ускорение биосинтеза порфиринов и тиронинов, увеличение содержания нуклеи­новых кислот в тканях, изменение активности ферментов, заметные из­менения содержания макроэргических соединений - АТФ, фосфокреа­тина, гликогена, а также микро- и макроэлементов. Более высокие интенсивности ультразвука (0,3 Вт/см2) приводят к нарушениям структуры и ультраструктуры облучаемых тканей. Особое внимание уделено исследователями изменению электро­физических свойств кожных покровов под действием ультразвука. Та­кое внимание обусловлено практической необходимостью изучить механизмы фонофореза лекарственных веществ через кожу и, по воз­можности, оптимизировать этот процесс. Исследования показали, что под влиянием ультразвука (0,9 МГц; 0,1...2 Вт/см2; 5...15 мин) повышается проницаемость как изолированной кожи, так и кожи в составе организма. В последнем случае эффект значительно выше и зависит от интенсивности ультразвука и природы исследуемых веществ.

Полученные эффекты связывают  с изменением морфологических особенностей кожного покрова, вызванным ультразвуковым облучением, и отмечают разрыхление эпидермиса, увеличение количества активных потовых и сальных желез, а также увеличение диаметра выводных протоков кожных желез в 2-4 раза. Данные многих авторов, в основном, совпадают с приведенными выше, однако имеются сведения, что предварительное облучение ультразвуком (0,8 МГц) в интервале интенсивностей 0,2... 1 Вт/см2 понижает скорость электрофореза адреналина и ацетилхолина через неповрежденную кожу тогда как ультразвук более высоких интенсивностей повышает ее. Ультразвук (0,8 МГц; 0,2... 1 Вт/см2) обратимо ускоряет как пассивный, так и активный транспорт ионов Na, К, Са через кожу лягушки. Пороги эффекта лежат в об­ласти 0,2 Вт/см2, Однако если ускорение пассивного транспорта начинается сразу после включения ультразвука, изменения в скорости активного транспорта фиксируются только через 3...4 мин.

Наряду с проницаемостью изменяются и электрические свойст­ва кожи. Уже при интенсивности ультразвука 0,2 Вт/см2 (0,9 МГц) регист­рируют относительные изменения трансмембранного потенциала изо­лированной кожи лягушки. С увеличением интенсивности ультразву­ка эта величина возрастает с 0,01 до 0,4 при интенсивности 1 Вт/см2. При интенсивностях менее 2 Вт/см2 потенциал кожи снижается после включения ультразвука, а затем восстанавливается до исходных зна­чений. При более высоких значениях интенсивности вторая фаза от­сутствует, что свидетельствует о необратимых изменениях в коже. Модулирование ультразвука усиливает эффект на 15…20 % при часто­тах модуляции 10...20 и 200 Гц.

Если в среду, омывающую кожу, добавлен цианистый калий, пре­кращающий  обмен веществ, то никакого изменения  потенциалов под действием ультразвука  не происходит.

Фокусированный ультразвук (1 М  Гц, 1...100 Вт/см2) в условиях хо­рошего  теплообмена и отсутствия кавитации  вызывает обратимое уменьшение потенциала изолированной кожи лягушки и  пропорцио­нальное интенсивности  ультразвука возрастание тока короткою замы­кания. С увеличением длительности облучения ток короткого замыка­ния постоянно увеличивается, в то время  как изменения мембранного потенциала приходятся на первые 0,5 с облучения  и в дальнейшем остаются на новом  стационарном уровне. Совокупность приведенных данных свидетельствует о существен­ной роли клеточных мембран в формировании эффекта изменения электрических свойств тканей в ответ на ультразвуковое воздействие.

 Ультразвуковое исследование

Ультразвуковое исследование (УЗИ) — неинвазивное исследование организма человека или животного с помощью ультразвуковых волн.

                

Методики ультразвукового  исследования

 

Отраженные эхосигналы поступают  в усилитель и специальные  системы реконструкции, после чего появляются на экране телевизионного монитора в виде изображения срезов тела, имеющие различные оттенки  черно-белого цвета. Оптимальным является наличие не менее 64 градиентов цвета  черно-белой шкалы. При позитивной регистрации максимальная интенсивность  эхосигналов проявляется на экране белым цветом (эхопозитивные участки), а минимальная — чёрным (эхонегативные участки). При негативной регистрации наблюдается обратное положение. Выбор позитивной или негативной регистрации не имеет значения. Изображение, получаемое при исследовании, может быть разным в зависимости от режимов работы сканера. Выделяют следующие режимы:                                                                           A-режим. Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, где первая координата, это амплитуда отраженного сигнала от границы сред с разным акустическим сопротивлением, а вторая расстояние до этой границы. Зная скорость распространения ультразвуковой волны в тканях тела человека, можно определить расстояние до этой зоны, разделив пополам (так как ультразвуковой луч проходит этот путь дважды) произведение времени возврата импульса на скорость ультразвука.                                            B-режим. Методика даёт информацию в виде двухмерных серо шкальных томографических изображений анатомических структур в масштабе реального времени, что позволяет оценивать их морфологическое состояние. M-режим. Методика даёт информацию в виде одномерного изображения, вторая координата заменена временной. По вертикальной оси откладывается расстояние от датчика до лоцируемой структуры, а по горизонтальной — время. Используется режим в основном для исследования сердца. Дает информацию о виде кривых, отражающих амплитуду и скорость движения кардиальных структур.

Допплерография     

Спектральный Допплер Общей  Каротидной Артерии

Увеличенный компьютером Транскраниальный допплер.     

Методика основана на использовании  эффекта Допплера. Сущность эффекта  состоит в том, что от движущихся объектов ультразвуковые волны отражаются с измененной частотой. Этот сдвиг  частоты пропорционален скорости движения лоцируемых структур — если движение направлено в сторону датчика, то частота увеличивается, если от датчика  — уменьшается.

Потоковая спектральная допплерография (ПСД)

Предназначена для оценки кровотока  в относительно крупных сосудах  и камерах сердца. Основным видом  диагностической информации является спектрографическая запись, представляющая собой развертку скорости кровотока  во времени. На таком графике по вертикальной оси откладывается скорость, а  по горизонтальной — время. Сигналы, отображающиеся выше горизонтальной оси, идут от потока крови, направленного  к датчику, ниже этой оси — от датчика. Помимо скорости и направления  кровотока, по виду допплеровской спектрограммы  можно определить характер потока крови: ламинарный поток отображается в  виде узкой кривой с четкими контурами, турбулентный — широкой неоднородной кривой.